Referát v rámci předmětu Cvičení z biochemie.

1.Obecný úvod

Slovo enzym pochází z řeckého výrazu pro fermentaci. Již v 18. a 19. stol. začalo vědce zajímat, jaké pochody umožňují lidskému žaludku trávit maso a jak je možné, že rostliny zvládnou přeměnu cukru na škrob a sliny jsou schopny tento zpětně rozložit na cukr. Louis Pasteur studoval fermentaci cukru v alkohol a prohlásil, že tato změna je umožňována jakýmisi "fermenty" přítomnými v kvasinkách. K podobnému názoru dospěl dříve kolem roku 1835 John Jakob při studiu fermentace. Termín enzym použil poprvé roku 1897 Eduard Büchner když zjistil, že fermentaci nezpůsobují jen živé kvasinky, nýbrž i kvasinky mrtvé, rozdrcené. Poprvé byl enzym získán v čisté formě roku 1926 Jamesem Summerem. Jednalo se o ureasu vykrystalovanou z přírodního materiálu (dovoluje (NH₂)₂CO + 3H₂O = CO₂ + 2NH₄OH v helicobacter pyllori, inhibice těžkými kovy, Na a K). Za tento počin byl r. 1947 oceněn Nobelovou cenou spolu s dvěma vědci, kteří vyvinuli metodu izolace pepsinu.

Enzymy jsou biokatalyzátory, tzn. že snižují aktivační energii reakce tak, aby mohla proběhnut, reakci urychlují. Je nutné si uvědomit, že enzymy mohou usnadňovat jen reakce se zápornou hodnotou Gibbsovy energie, tedy ty jež mají samovolný průběh. Ačkoliv jsou diskutovány např. i katalytické možnosti některých jiných makromolekul (např. RNA), původně a ve většině případů lze enzymy označit jako makromolekuly bílkovinného charakteru, které mohou obsahovat nebílkovinnou složku. Basální funkční jednotkou enzymu je aktivní centrum, část molekuly, na kterou se váže substrát - přeměňovaná látka. Tato látka se na aktivním centru orientuje tak, aby její sterické uspořádání usnadňovalo průběh reakce. Často je nutnou podmínkou pro fungování enzymu přítomnost kofaktoru, koenzymu příp. prosthetické skupiny v aktivním místě enzymu. Koenzym je neproteinová látka složitějšího charakteru, která není na enzym kovalentně vázána, kofaktor je chápán jako nekovaletně vázaná jednoduchá specie (ion kovu), prosthetická skupina je vázána na enzym pevnou vazbou a nelze ji reverzibilně odštěpit (HEM, Flaviny, molybdenoferredoxin v bakteriích Rhizobium na luštěninách - fixace N₂). Koenzym spolu s apoenzymem (bílkovinnou složkou enzymu) tvoří tzv. holoenzym.

2.Reakce

Enzymy urychlují průběh reakcí, které jsou z energetického hlediska možné. Enzymy neovlivňují rovnovážnou konstantu reakce. V těle probíhají endergonické reakce, které nemají samovolný průběh a spotřebovává se při nich energie nutná k průběhu reakce - syntézy - a exergonické reakce, které nevyžadují dodávku energie a mohou probíhat samovolně. Aby byly syntézy možné, tělo provádí tyto reakce tzv. spřaženým mechanismem. Provede exergonickou reakci na níž participuje reakce syntézní, tj. endergonická. U proveditelných reakcí musí být záporná hodnota (ΔG)_T,p=ΔH - TΔS. Katalytické působení enzymů si představujeme tak, že reakce namísto v jednom stupni probíhá ve dvou a více stupních. Nejprve je vytvořen komplex enzym-substrát, který se pak rozpadá na produkty reakce a regenerovaný enzym. Vlastnostmi aktivního centra je pak dána substrátová a reakční specifita enzymu, tzn. že enzym je schopen katalyzovat vznik nějaké látky (látek) z jiné určité látky pouze jistým typem reakce.

Kvantově mechanický model těchto procesů představili vědci Dogonadze a Urušadze na Mezinárodním biofyzikálním kongresu v Moskvě v roce 1972. Zde byla poprvé diskutována změna konformace molekul při působení enzymů tak, aby se reakce urychlila.

Pro rychlost reakce platí Mentenové-Michaelisova rovnice v= v_max ∙ [S] / [S]+K_M kde K_M je Michaelisova konstanta. Vědci, po nichž je tato rovnice pojmenována, se zabývali enzymy na počátku 20.stol. Tento vztah navrhli roku 1913. Konstanta je rovna koncentraci substrátu nutné k tomu, aby reakce probíhala poloviční maximální reakční rychlostí a vypovídá o afinitě enzymu k substrátu a je jí nepřímo úměrná. Funkční závislost můžeme znázornit grafem. Reakci lze urychlovat zvýšením koncetrace substrátu nebo enzymu jen do určitých mezí.

Aby byl enzym aktivní, je nutné udržovat určité chemické i fyzikální podmínky v reakční soustavě. Je to především jisté pH (např. fyziologické u lidí 7,35-7,4), teplota mezi 25-45st.C, iontová sílu roztoku, redoxní potenciál soustavy, dále aktivitu enzymu ovlivňují koncentrace substrátu a přítomnost tzv. aktivátorů nebo inhibitorů v soustavě. Fyzikální a fyzikálně-chemické faktory souvisí s denaturací enzymu v případě překročení jistých mezí příp. změnou oxidačního stavu některých specifických skupin přítomných v bílkovině díky ovlivnění redox potenciálu (-SH). Aktivita enzymu není vždy stejná, ale v závislosti na podmínkách v reakční soustavě se mění. Tak lze najít pro každý enzym jisté optimum.

Specielním případem ovlivňování aktivity enzymu je aktivace či inhibice aktivity. Jednotkou aktivity enzymu je katal, tj. takové množství enzymu, které je schopno přeměnit mol substrátu za sekundu. Specifická aktivita je pak počet katalů na kilogram bílkoviny. Zatímco aktivátory zrychlují reakci katalyzovanou enzymem (např. ionty kovů K⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, a Mo³⁺), inhibitory tuto reakci zpomalují nebo blokují (těžké kovy, Hg²⁺). Rozlišujeme dva druhy inhibice, vratnou a nevratnou. Podle místa zásahu inhibitoru do molekuly enzymu pak můžeme rozlišit inhibitory kompetitivní, nekompetitivní, akompetitivní a allosterické.

Kompetitivní inhibitor se váže na stejné místo, jako substrát enzymu, tedy se substrátem bojuje o enzym. Této inhibici lze zabránit nadbytkem substrátu (blokace sukcinát dehydrogenasy kyselinou malonovou). Nekompetitivní inhibitor se váže na reaktivní skupiny v molekule enzymu a tím ovlivňuje jeho afinitu. Nekompetitivní inhibici nemůžeme odstranit nadbytkem substrátu (blokace Crebsova cyklu kyselinou fluoroctovou). K akompetitivní inhibici dochází tehdy, jestliže se inhibitor váže na komplex enzym-substrát. Allosterická inhibice se inhibitor váže na enzym tak, že mění jeho prostorové uspořádání a enzym pak není schopen reakci katalyzovat. Mezi blokanty patří například organofosfáty (tabun) blokující acetylcholinesterasu rozkládající acetylcholin, neurotrasmiter vylévající se na synapsi. Jeho nekontrolovatelné vylévání dál kolem synapse a na další neurony a synapse způsobuje dobře známé křeče při kontaktu postižených s nervovými jedy.

Stejným způsobem, jako allosterické blokanty mohou působit allosterické efektory. Ty mohou způsobit i přechod prekurzoru enzymu do aktivního stavu, tedy vzniku enzymu z proenzymu (zymogenu - zymogen proteázy chymotripsinu, chymotripsinogen, je z panktreatu transportován do žaludku a tam aktivován).

Vznik enzymu z proenzymu, nebo kompetitivní inhibice je důležitým faktorem regulace enzymové aktivity v buňce. Vznik enzymu, tj. jeho syntézu, pak ovlivňují induktory (podpora) nebo represory (potlačení), které se váží přímo na regulační oblasti genu. Takto nejsou ovlivňovány tzv. konstutivní enzymy, kterých je buňce stále stejné množství. Příkladem enzymu, jehož aktivita je takto ovlivňována, je galaktosidasa v bakterii Escherichia Coli. Laktosa je dopravena dovnitř buňky, kde je přeměněna na alolaktosu, která je přímo induktorem syntézy galaktosidasy. Příkladem represe je blokace syntetázy triptofanu. Jakmile je této aminokyseliny přebytek, je korepresorem alostericky aktivován represor, který se váže na operátor genu a inaktivuje přepis genetické informace pro syntézu potřebného enzymu.

3.Rozdělení enzymů

V našem těle existuje odhadem více jak 2000 typů enzymů. Enzymy se dělí podle reakcí, které katalyzují. Od toho se také odvozuje jejich polotriviální názvosloví zakončené na -asa. Mezinárodní unie pro biochemii a molekulární biologii definovala pak názvy začínající písmeny EC a číslem, které reprezentuje daný druh enzymu. Enzymy lze takto rozdělit do šesti tříd na oxidoreduktasy (EC1), transferasy (přenášejí skupiny atomů, radikály, ionty, molekuly, EC2), hydrolasy (hydrolyticky štěpí vazby, EC3), lyasy (katalyzují eliminace či adice, EC4), izomerasy (katalyzují přeskupení atomů uvnitř molekuly, EC5) a ligasy (tvoří vazby, EC6). Následuje číselný kód, který enzym určuje blíže.

4.Koenzymy

Příklady:

1.koenzymy oxidoreduktas

Mezi těmito koenzymy se vyskytují např. nikotinamidové nukleotidy, které přenášejí na pyridinovém jádře vodík. Tyto látky mají vztah k vitamínům skupiny B. Dále sem patří flavinové nukleotidy sloužící jako přenašeče elektronů a příp. vodíku, kyselina lipoová, koenzym Q (ubichinon), deriváty porfyrinu.

2.koenzymy transferas

Patří sem např. ATP, ADP a AMP, které mohou přenášet fosfáty či adenosinové zbytky, aktivní sulfát tvořící estery s hydroxy skupinou alkoholů a účastní se tak například odbourávání fenolů, citidinfosfát účastnící se výstavby složených lipidů, koenzym A přenášející karboxyl, koenzym F přenášející jednouhlíkatý zbytek, nebo biotin činící to samé, koenzym B₁₂ přenášející vodík.

Mezi důležité koenzymy samozřejmě patří také vitamíny.

5.Zajímavosti ze světa enzymů

Jak jsem již uvedl, existuje více jak 2000 typů enzymů. Všechny jsou v našem těle více méně nutné a jejich absence může mít i fatální následky. Denně si můžeme na obalech různých bonbónů, sušenek i nápojů dočíst, že nejsou vhodné pro lidi trpící kupříkladu fenylketonurií. U jedinců postižených touto genetickou poruchou nepracuje enzym fenylalanin hydroxylasa (PAH), který má za úkol aminokyselinu fenylalanin převádět v tyrosin. V majoritním podílu případů není syntetizován přímo tento enzym, u některých pacientů jen jeho kofaktor tetrahydrobiopterin. Jestliže se tak neděje, v těle se hromadí fenylalanin, což může vést až k mentální retardaci a potlačení syntézy melaninu. Fenylketonurici mají často blonďaté vlasy a modré oči. Fenylketonurií trpí jedno dítě z 4500-100 000 narozených podle oblasti výskytu. Postižení se musí vyvarovat kromě zmíněných potravin také masa, mléka, sýrů a mnoha dalších, jež jsou potencionálním zdrojem zmíněné aminokyseliny. Fenylketonurii popsal Finský vědec Asbjörn Fönsen roku 1934. Zjistil, že v moči postižených se objevuje fenylpyruvát

Jiné ovlivnění aktivity enzymů, obzvláště medikamentózní, může naopak léčit. Takto například působí v těle acylpyrin, který blokuje hormon ovlivňující syntézu prostaglandinů, látek s krátkou životností vznikajících v těle v místě postižení infekcí. Prostaglandiny jsou zodpovědné za tvorbu zánětu v místě postižení, zvýšení teploty apod. Tím lze vysvětlit jeho protizánětlivé a antipyretické účinky. Jeho vliv na snížení srážlivosti krve lze vysvětlit nekompetitivní inhibicí tromboxanu A2. Některé enzymy vyráběné biotechnologicky se rovněž používají k likvidaci na antibiotika rezistentních bakterií způsobujících střevní infekce. Enzym je navázán na iontoměničovou pryskyřici aby odolal nízkému pH v žaludku a přechází do střeva, kde rozkládá buněčnou stěnu kvasinek a baktérií.

Literatura: Skripta biochemie pro UK Praha, Malá encyklopedie chemie (SNTL 1976), Přehled středoškolské chemie (SPN 1995) a webové stránky.