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= vmax ∙ [S] / [S]+KM kde KM 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.