Koenzymy, kofermenty
Koenzymy
Některé enzymy vyžadují spoluúčast koenzymů
Existuje početná skupina enzymů, které pro svoji katalytickou funkci vyžadují vedle substrátu ještě další sloučeninu, označovanou jako koenzym. Bez její přítomnosti je enzym neaktivní. Katalýza nastane pouze tehdy, je-li přítomen substrát i koenzym současně. Je však třeba rozlišovat mezi aktivátory enzymů a koenzymy. Jejich mechanismus působení je zcela odlišný. Za koenzymy jsou považované nízkomolekulární a termostabilní látky nezbytné pro aktivitu enzymů. Jsou na enzym vázány většinou nekovalentními vazbami a relativně snadno disociují. Existují však i koenzymy, které jsou vázané kovalentní vazbou (proto se často označují jako prostetické skupiny).
Enzymy, které vyžadují přítomnost koenzymů, katalyzují oxidačně-redukční reakce, přenos skupin, izomerizaci a reakce, při kterých se tvoří kovalentní vazby. Týká se to tedy enzymů třídy 1 - oxidoreduktázy, 2 - transferázy, 5 - izomerázy a 6 - ligázy. Naproti tomu, enzymy lytické a hydrolytické (například trávicí enzymy) účast koenzymů nevyžadují. Proto se s koenzymy nesetkáváme u enzymů třídy 4 - hydrolázy a 5 - lyázy.
Koenzymy se také označují jako kosubstráty
Kosubstrátem se označují látky, které vystupují v reakci jako druhý substrát. Dochází tedy při reakci k jejich přeměně. V počátcích se jako koenzym označovaly látky, které se podobně jako enzym účastní reakce, a z reakce vychází v nezměněné podobě. To však pro koenzymy tak úplně neplatí.
Příkladem může být fosforylace cukrů. Při těchto reakcích je koenzymem adenosintrifosfát (ATP), který však z reakce vychází jako adenosindifosfát (ADP). Podobně u oxidoredukčních reakcí (koenzymem může být například nikotinamidadenindinukleotid) se molekula substrátu oxiduje, ovšem koenzym se redukuje (obsahuje navíc 1 nebo 2 vodíky). Při transaminačních reakcích působí jako koenzym pyridoxalfosfát pro přenos aminoskupiny. Ve všech těchto případech dochází ke změně v molekule koenzymu. Chemické změny uskutečněné v molekule koenzymu jsou v relaci se změnami proběhnutými v molekule substrátu. Proto je vhodnější pohlížet na koenzymy jako na druhé substráty (kosubstráty). Jejich návrat do původní strukturní podoby se odehrává až v další, bezprostředně navazující reakci (spřažené reakce). Koenzymy se tedy uplatňují zejména v multienzymových systémech nebo u enzymů, které jsou lokalizované v buňce v bezprostředním sousedství. To proto, že při jedné reakci (na prvním enzymu) se například koenzym redukuje přijetím vodíku, následuje jeho disociace, připojení ke druhé molekule enzymu a zde se redukovaný koenzym stává donorem vodíku pro jiný substrát. Často se obě reakce uskuteční na stejné molekule enzymu, který má například dvě vazebná místa pro dva různé substráty.
Důležitějším hlediskem, které opodstatňuje označení koenzymů jako kosubstrátů, je jejich význam z pohledu průběhu metabolických procesů. Například při vykonávání práce při nedostatečném prokysličení svalů využívají svalové buňky jako zdroj energie glykolýzu. Aby však mohla buňka získávat energii za anaerobních podmínek, musí dokázat znovu oxidovat vznikající NADH. Jinak by se začal v buňce hromadit redukovaný NADH, oxidovaný NAD+ by nebyl k dispozici a glykolýza by se prakticky zastavila hned na počátku. Bez NAD+ není možné za anaerobních podmínek v buňce syntetizovat ATP, nelze tedy ani vykonávat práci. Protože za anaerobních podmínek chybí kyslík a nemůže tedy docházet k reakci s vodíkem za vzniku vody, neměl by NADH komu vodík předat. Buňka „vymyslela“ alternativní řešení a redukuje vznikající pyruvát na laktát. Tato reakce právě umožňuje opětovnou oxidaci NADH. Pyruvát tedy slouží za anaerobních podmínek pouze jako sloučenina, na kterou může redukovaný NADH přenést vodík a vznikající laktát je jakýmsi rezervoárem nezužitkovatelné energie (za daných anaerobních podmínek). Jakmile se však do buněk začne přivádět dostatek kyslíku, je laktát využit jako kvalitní zdroj energie a současně jako vhodná výchozí sloučenina pro opětovnou syntézu zásobního glykogenu (viz glukoneogeneze). Bez účasti koenzymů dehydrogenáz by však nebylo možné takový proces v buňce uskutečnit.
Jenom na doplnění informace, mechanismus regenerace NAD+ za anaerobních podmínek využívají ve velkém hlavně mikroorganismy. Substrátem (oxidačním činidlem) pro takovou reakci je vedle již zmíněného pyruvátu (svaly a mléčné bakterie) například acetaldehyd (kvasinky, vzniká ethanol), dihydroxyacetonfosfát (Escherichia coli, vzniká α-glycerolfosfát) nebo fruktóza (heteromléčné baktérie, vzniká mannitol). Reakci katalyzují specifické mikrobiální dehydrogenázy.
Koenzymy často obsahují vitamíny
Koenzymy často obsahují vitamíny skupiny B jako součást své molekuly. Například mnoho enzymů katalyzujících reakce spojené s přeměnou aminokyselin využívají koenzymy obsahující pyridoxin. Enzymy ze skupiny oxidoreduktáz zase využívají koenzymy, které ve své molekule obsahují nikotinamid, thiamin, riboflavin, kyselinu pantotenovou nebo kyselinu lipoovou. Kyselina listová a kobalamin jsou zase součástí struktury koenzymů přenášejících jednouhlíkaté zbytky.
Klasifikace koenzymů
Koenzymy lze klasifikovat různými způsoby, nejčastěji se třídění provádí podle typu reakce, v níž se daný koenzym uplatňuje. Z tohoto hlediska se dělí na dvě základní skupiny. Jednak na koenzymy účastnící se reakcí přenášející vodík a na koenzymy přenášející jiné skupiny, než vodík.
Jak je z přehledu patrné, například kyselina lipoová může být součástí koenzymu přenášejícího vodík, ale také součástí jiného koenzymu, který naopak přenáší skupinu. Některé struktury mají univerzálnější využití.
Mnoho koenzymů obsahuje adenosin
V molekulách mnoha koenzymů se často vyskytuje struktura, kdy je adenin připojený na D-ribózu a fosfát (adenosinmonofosfát). Tento nukleotid má výsadní postavení v energetickém metabolismu každé živé buňky. Ať již jako nositel makroergních fosfátů (správněji vazeb s vysokým potenciálem pro přenos fosfátové skupiny), nebo jako základ některých koenzymů.
Časté zastoupení adenosinu (adeninový kruh navázaný na ribózu) v mnoha molekulách koenzymů ukazuje, jak je tato struktura pro průběh mnoha reakcí výhodná. Lze jen spekulovat o tom, zda v samotných počátcích vzniku prvních živých buněk byla tato struktura vybrána zcela náhodně a pak se jako osvědčená stala součástí energetického metabolismu všech živých buněk, nebo zda se jednalo o logický výběr vyplývající ze specifických chemických vlastností adeninového kruhu. V každém případě platí, že 5 atomů dusíku v kombinaci s konjugovanými dvojnými vazbami v adeninovém kruhu vytváří velice příhodné podmínky pro interakce s peptidovými řetězci molekul enzymů. Podobně se chovají i hydroxylové skupiny ribózy. Tím je umožněno „přidržení“ adenosinfosfátových koenzymů v aktivních centrech enzymů a jejich správné nasměrování vůči substrátu. Není proto náhodou, že se v aktivních centrech mnoha enzymů nachází stejné, nebo prakticky stejné sekvence aminokyselin, jejichž vlastnosti pak umožňují interakci s adeninovým kruhem případně hydroxyly ribózy.
V některých případech je třeba, aby byla funkční část molekuly koenzymu nasměrována žádoucím způsobem vůči substrátu i tehdy, kdy je to z prostorových důvodů méně výhodné (například molekula substrátu se nemůže z nějakých důvodů natočit úplně ideálně). V takových případech se většinou využije modifikovaná molekula koenzymu, která umožní vytvořit vícebodové a pevnější připojení. Typickým příkladem jsou koenzymy NAD a NADP, lišící se navzájem pouze v navázání fosfátové skupiny na uhlík v poloze 2 ribózy. Právě tato připojená fosfátová skupina vytvoří na molekule NADP nové místo, které je schopné vyvolat další potřebné interakce s povrchem molekuly enzymu. Molekula koenzymu se připojuje odlišným způsobem (ve srovnání s NAD) a jeho funkční skupina se tedy natočí do jiného směru. U takových enzymů je pak NADP vázáno pevněji a enzym proto „dává“ přednost NADP před NAD.
Existují nespecifické dehydrogenázy, které jsou schopné ve stejném aktivním centru katalyzovat reakce s různými substráty a s využitím různých koenzymů (NAD nebo NADP). To, kterou reakci takový enzym v daném okamžiku upřednostní, pak závisí pouze na koncentračních poměrech jednotlivých substrátů a také na koncentračním poměru mezi NAD a NADP (pro zjednodušení a větší názornost se úmyslně neuvádí oxidované a redukované formy koenzymů).
V následující tabulce jsou uvedeny důležité koenzymy odvozené od adenosinmonofosfátu, včetně forem aktivovaných aminokyselin. Podrobně jsou jednotlivé koenzymy popsány v samostatných článcích (z hlediska struktury i mechanismu působení).
Související články
Adenosinfosfátové koenzymy - biochemie
Nikotinamidové koenzymy - biochemie
Flavinové koenzymy - 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.