Charakteristika biokatalyzátorů a jejich význam pro regulaci dějů v organismech

Neustálá přeměna látek a návaznost
jednotlivých reakcí je jednou ze základních
vlastností všech živých soustav. Produkt jedné
reakce se stává substrátem reakce následující.
Vytvářejí se tak různě dlouhé metabolické
dráhy. Výchozí látka se postupně mění přes
meziprodukty až na konečný produkt.
Buňky organismů správně fungují jen za
určitých podmínek (teplotě, tlaku, vlhkosti,
pH…), za těchto podmínek by však většina
chemických reakcí v živých organismech
nemohla probíhat bez přítomnosti enzymů
jako biokatalyzátorů.
Biokatalyzátory čili enzymy jsou chemické látky bílkovinového charakteru, které mají
urychlovat průběh biochemických reakcí. Fungují stejně jako jiné katalyzátory – snižují
aktivační energii.
Enzymy nalézají bohaté uplatnění v mnoha odvětvích. Neoddiskutovatelný je jejich význam
ve vědě a výzkumu – běžně se využívají různé polymerázy, restrikční
endonukleázy, proteázy a podobně. Známé je i jejich přidávaní do pracích prášků, čímž se
zvyšuje účinnost odstraňování skvrn i při nižších teplotách. Enzymy šetří energii i v
potravinářském, textilním a papírenském průmyslu, v odpadovém hospodářství a
podobně. Proteolytické enzymy se používají například v mlékárenském průmyslu jako syřidla
(chymosin) nebo k přípravě hypoalergeního mléka. Enzymy lze využít i ke změkčování masa
(papain). Pomocí enzymatického štěpení trisacharidů v luštěninách lze připravit takové
luštěniny, které nenadýmají. V analytické chemii lze použít enzymů jako značek na
specifickém indikátoru (např. ELISA test). Pomocí redoxních enzymů lze poměrně snadno
stanovit koncentraci specifického substrátu pro daný enzym. V lékařství lze podávat enzymy
jako náhradu chybějících enzymů při poškození slinivky břišní či při léčbě některých
onemocnění.
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 -áza. Například enzym oxalát karboxy-lyáza (oxalátdekarboxyláza)
katalyzuje dekarboxylaci kyseliny šťavelové (COOH)2. Často se také využívají triviální názvy
jednotlivých enzymů (α-amylasa, pepsin, trypsin aj.).
Struktura enzymů
Enzymy tvořené pouze bílkovinou označujeme jako jednoduché (jednosložkové) enzymy. 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.
Kofaktorem může být prostetická skupina (s aponzymem spojená pevně pomocí kovalentní vazby) nebo koenzym (s apoenzymem poután pouze slabě, lehce může oddisociovat, často jde o deriváty vitamínů).
Mechanismus činnosti enzymů
Na začátku reakce se enzym váže s látkami vstupujícími do reakce (substráty) a vytváří se komplex enzym-substrát. Reakce probíhá do místa na povrchu enzymu zvaného aktivní centrum (část apoenzymu tvořená určitým uskupením aminokyselin, laicky řečeno tvar aktivního místa odpovídá tvaru substrátu, který tak zapadá do aktivního místa jako klíč do zámku). Některé enzymy potřebují pro svoji činnost koenzymy. Ty mohou být na začátku reakce buď již součástí enzymu, anebo se mohou vyskytovat volně v buňce a do reakce vstupovat společně se substrátem. Koenzymy plní funkci dárce (donora) či příjemce (akceptora) protonů p+, elektronů e- či celých funkčních (charakteristických) skupin. Komplex enzym-substrát se mění na komplex enzym-produktový a ten se rozpadá za současného uvolnění produktů reakce.
Každý enzym se vyznačuje účinkovou a substrátovou specifitou. Účinková specifita znamená, že daný enzym je schopen katalyzovat pouze určitý druh chemické reakce (např. může být dárcem nebo příjemcem elektronů a katalyzovat redoxní reakce, ale nemůže zároveň být dárcem nebo příjemcem např. nějaké charakteristické skupiny). Chemická specifita je dána kofaktorem. Substrátová specifita znamená, že daný enzym je schopen katalyzovat přeměnu pouze určitého substrátu. Substrátová specifita je daná terciární strukturou apoenzymu. Terciární struktura apoenzymu rozhoduje o tvaru aktivního centra a tedy i o tom, které substrátové strukturní jednotky se na něj mohou vázat a které nikoliv.
Aktivace a inhibice enzymů
AKTIVACE – 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. Existuje i alosterická aktivace (princip stejný jako alosterická inhibice).
INHIBICE – Jestliže se enzymová reakce zpomalí, hovoříme o inhibici (způsobena inhibitorem). Z hlediska mechanismu působení inhibitoru se rozeznávají tři základní typy inhibice. Kompetitivní (soutěživá) inhibice spočívá v tom, že 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. Při nekompetitivní inhibici se inhibitor váže mimo aktivní centrum enzymu a brání přeměně substrátu na produkty. Tento typ inhibice způsobují zpravidla ionty těžkých kovů (Hg, Pb..), které se označují pojmem enzymové (katalytické) jedy. Nekompetitivní inhibice je nevratná. Alosterická inhibice je vyvolána inhibitorem, který se váže na jiné místo apoenzymu než je aktivní centrum (řec. allos = jiný, druhý). Toto místo se nazývá alosterické centrum. Vazba inhibitoru na alosterické centrum způsobí vratnou změnu terciární struktury apoenzymu a tím i změnu aktivního centra – substrát tam už nepasuje. Alosterická inhibice je vratná.
Rychlost enzymatických reakcí
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: Množství substrátu – rychlost enzymové reakce vzrůstá společně s koncentrací substrátu až do obsazení všech aktivních center daného enzymu. Množství enzymu – rychlost enzymové reakce vzrůstá společně s množstvím enzymu (za předpokladu dostatečného množství substrátu). 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 vyšších teplotách efektivita reakcí obvykle klesá (např. při teplotě 50 °C může docházet k narušení bílkovinné struktury – její denaturaci). 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.
Klasifikace enzymů
OXIDOREDUKTÁZY – Účastní se oxidačně-redukčních (redoxních) reakcí. Při těchto reakcích dochází k přenosu elektronů mezi jednotlivými substráty. Významným koenzymem oxidoreduktáz je nikotinamidadenindinukleotid NAD+. Např. CH3CH2OH + NAD+ → CH3CHO + NADH + H+
Používají k tomu různé mechanismy: přenos elektronů (např. cytochrom-c-oxidasa) přenos dvou atomů H (např. dehydrogenasy) zabudování atomu O do substrátu (např. monoexygenasy, dioxygenasy)
TRANSFERÁZY – Realizují přenos skupin (-CH3, -NH2, -COCH3 ) v aktivované formě z jejich donoru na akceptor. Např. aminotransferázy přenášejí aminoskupinu z aminokyseliny na oxokyselinu. Jednou podtřídou transferáz jsou kinázy, které katalyzují přenos fosforylové skupiny –PO32– z ATP na –OH skupinu substrátu. Např. fosforylace glukózy.
HYDROLÁZY – Štěpí hydrolytické vazby, které vznikly kondenzaci, např. peptidové, glykosidové, esterové za použití vody. Třeba enzym glykosidáza se podílí na štěpení glykosidické vazby. Jejich součástí jsou často kovové ionty namísto koenzymu.
LYÁZY – Katalyzují nehydrolytické štěpení a vznik vazeb (C-C, C-O, C-N). Provádějí to většinou tak, že odštěpuji ze substrátu, nebo do něj vnášejí malé molekuly (H2O, CO2, NH3) bez pomoci dalšího reaktantu. Např. pyruvátdekarboxyláza odštěpuje z pyruvátu CO2 za vzniku acetaldehydu. Oxid uhličitý se odštěpuje například i při enzymovém rozkladu kyseliny šťavelové (COOH)2: (COOH)2 → HCOOH + CO2. Lyázy jsou povahy složených bílkovin, tvoři málo početnou skupinu enzymů. V triviálním názvosloví pro ně používáme název syntházy.
IZOMERÁZY – Realizují vnitromolekulární přesuny atomů a jejich skupin, tedy vzájemné přeměny izomerů. Může tak docházet například k přeměně glukosy na fruktózu: D-glukosa C6H12O6 → D-fruktóza C6H12O6
LIGÁZY (syntetázy) – Katalyzují vznik energeticky náročných vazeb za současného rozkladu látky uvolňující energii, např. ATP. Příkladem je pyruvátkarboxyláza katalyzující zabudování CO2 do molekuly pyruvátu za vzniku oxalacetátu.